低階煤高效清潔分質利用問題研究

莫海燕

（巴音郭楞職業技術學院，新疆庫爾勒 841000）

煤炭在我國的能源結構中占據了很大的比例，但是低階煤約占據煤炭蘊藏量的一半。由于低階煤煤化程度低，水分和發熱量低，還具有低灰、低硫、高揮發分、高活性、易燃易碎等特點，且不宜直接燃燒和遠距離運輸，這些都是制約低階煤利用效率的因素，對我國煤炭能源的開發和利用產生一定的影響。為了最大程度減少低階煤的能源浪費，提高低階煤的利用效率，可先對低階煤進行分級，然后進行梯級利用，既能夠提高能量的轉化率，還能夠降低能源的浪費和環境污染，這種方式可有效改善我國低階煤利用效率低的現狀。熱解是低階煤實現高效清潔分質利用的核心技術，在煤炭燃燒或者氣化之前，先利用熱解技術將煤中的橋鍵斷裂、解聚生產輕質組分，主要有煤焦油、煤氣和半焦的氣、液、固三相物質，可實現對原料的分質，再根據每種產物的性質和結構對其進行深加工，實現梯級轉化利用。這種分質利用方式，能夠以低階煤熱解后的產物為原料延伸產業鏈，有效提升低階煤分質產物的附加值，實現低階煤的高效清潔利用，這對改善我國的能源利用結構具有重要意義，也是我國煤化工發展的方向之一。

1 低階煤高效清潔分質利用的途徑

根據煤炭的結構和物理化學性質，以高效清潔分質利用為目標，熱解是低階煤實現高效清潔分質利用的工藝路線的龍頭。在熱解工藝的指導下，通過各種方案的優化組合，最終能夠實現物質的循環利用以及能量的梯級利用。低階煤熱解的主要產物有煤焦油、熱解煤氣和半焦，下面主要對這三種產物的利用途徑進行分析。

1.1 煤焦油的利用途徑

低階煤通過熱解獲取的煤焦油呈黑褐色，具有較強的刺激性氣味，形態較為黏稠。煤焦油本身的成分就較為復雜，由于煤種的不同以及熱解工藝的不同，煤焦油的組分和性質也存在較大的差異性。低階煤通過熱解獲取的煤焦油主要用于制取燃料油、化工原料、煤焦油瀝青等。煤焦油通過加氫輕質化工藝，可生產清潔燃料，能夠代替石油產品使用。通過煤焦油獲取的汽柴油調和油具有較大的市場，這項技術也日趨完善，在我國已經成為投資的熱點，所以相應的配套技術和工藝裝置也會越來越完善。在利用煤焦油獲取燃料油和石腦油的基礎上，可以將工藝鏈進行延伸，生產酚類、橡膠溶劑等化合物，或者進行其他深加工。對煤焦油中的高附加值組分優先提取，在經濟性方面會占有更大的優勢。在煤焦油加工利用的過程中，重組分作為煤焦油切除輕質和中質餾分后的殘余物，其含量最大，但是價值卻最低，對于這部分物質的利用，可以將其制備成煤焦油瀝青，通過相應的生產技術和改質技術，煤焦油瀝青可應用于道路施工中，是對煤焦油加工產業鏈的另一種延伸。

1.2 熱解煤氣的利用途徑

熱解煤氣的組成較為復雜，主要組分包括氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，其中的有效組分占比較高，煤氣熱值也相對較高。根據熱解煤氣的組分不同，在用途方面就可以差異對待。高熱值燃料是熱解煤氣應用的重要領域，主要應用于民用燃氣、工業燃氣和直接燃燒發電。通過凈化后的熱解煤氣熱值較高，因CO含量較少，環境污染小，所以便于長距離輸送，可供城市居民用于燃氣使用。工業燃氣部分主要適用于焦化企業、冶金企業、煉鋼企業等作為燃料。經過脫硫脫氮后的熱解煤氣可直接應用于蒸汽發電、燃氣輪機發電等。化工原料或者產品也是熱解煤氣的主要用途，熱解煤氣中的甲烷經過催化后可轉化為合成氣，合成氣與二氧化碳在催化劑的作用下可反應生成甲醇，也可將合成氣制成二甲醚。

熱解煤氣中的氫含量相對較多，一般會采用變壓吸附的方式來提取純度較高的氫氣，或者是將熱解煤氣轉化為合成氣后再通過水煤氣變換反應轉化為氫氣。提純后的氫氣可應用于煤焦油輕質化，提高物質的循環利用，降低生產成本。天然氣是高效清潔能源之一，具有較大的市場需求。而熱解煤氣中的甲烷含量較高，通過中低溫熱解可先將熱解煤氣中的雜質凈化脫離，然后再將氫、一氧化碳和二氧化碳甲烷化，最后將氫氣從混合物中分離出來，即可獲取天然氣。

1.3 半焦的利用途徑

半焦的用途較多，主要有工業和民用燃料、高爐噴吹燃料、水煤漿和型煤、碳質吸附劑等。經過熱解后得到的半焦，相對于原煤而言水分、揮發分、硫的含量都較低，反應活性高，發熱量和燃燒效率高，燃燒過程中排放的污染物少，所以一般會直接作為窯爐和鍋爐的燃料。經過熱解后的褐煤得到的半焦強度小，易磨碎，經過相關的試驗分析，半焦應用于高爐噴吹中各項指標要優于無煙煤，但是由于工藝以及供應等原因的限制，還無法在工業中大規模應用。對于褐煤熱解后得到的灰分含量少的半焦，可以用來制備水煤漿，以此作為氣化原料，成漿的濃度較高。在優質黏結劑的作用下，半焦成型后也可應用于鐵合金冶煉的型焦，或者作為工業鍋爐燃料以及煉焦用煤。熱解后獲得的半焦具有較為豐富的微孔結構，吸附催化性能較強，在熱解不完全的情況下具有易改性的特點，所以可作為吸附催化雙重特性的碳質吸附劑，能夠代替部分活性炭。

2 低階煤高效清潔分質利用技術

分質利用能夠充分發揮低階煤的特點和優勢，以低階煤的組成和結構特點為基礎，通過熱解技術將低階煤轉化為煤焦油、熱解煤氣和半焦等物質，可對污染物進行集中脫除，然后根據三種產物的特性進行深加工利用，是實現低階煤高效清潔利用的重要技術手段。受到技術、設備、裝置、工藝等方面因素的限制，不同企業所研發的熱解技術帶有特定的技術屬性，下面主要對低溫干餾和粉煤熱解技術進行簡要 分析。

2.1 低階煤低溫干餾技術

2.1.1 低溫干餾技術研發方向

煤炭熱解也稱煤炭干餾，低溫干餾是低階煤熱解技術的一種，通過低溫干餾能夠提高資源的綜合利用價值，提升低階煤的附加值，是一種具有潛力的低階煤熱解技術發展方向。我國圍繞低溫干餾技術已經研發了多種干餾工藝和裝置，比如內熱式直立爐、外熱式直立爐、外燃內熱式、回轉爐、帶式爐等。目前應用規模較大的是內熱式直立爐，在研發內熱式直立爐的過程中，從技術層面主要是針對如下幾個問題。在煤炭的機械化綜采技術中，粒度在20mm以下的碎煤比例可達27%以上，而這部分煤不適合用于豎爐干餾，所以要對這部分煤進行低溫干餾，需要采用流化床干餾或者套筒回轉窯等間接加熱干餾裝置。對于外熱式低溫干餾以及氣體熱載體外燃內熱式爐等需要制備高熱值或化產用煤氣，高效的低溫干餾還需要與加氫熱解、廢塑料、廢橡膠共熱解等結合。

目前存在的這些技術問題受到各種原因的限制大多處于試驗階段，比如采用流化床作為碎煤低溫干餾的反應器是最佳選擇，但是在焦油捕收與分離環節卻存在一定的難度。對于間接加熱的低溫干餾技術，換熱速度慢還無法得到有效解決。

2.1.2 低溫干餾技術存在的問題

低溫干餾技術充分利用了低階煤高焦油的特點，在提取分離焦油的同時還能夠得到廣泛應用于化工、鐵合金等行業的蘭炭，是低階煤高效清潔分質利用的重要技術手段，但是還有如下問題需要解決。對于現階段機械化綜采技術而言，得到的粒度小于20mm的碎煤無法通過干餾實現分質利用；在低階煤低溫干餾過程中產生的熱解水還缺乏較好的處理技術，現有技術手段無法解決成本、污染和質量的問題；在現階段所采用的濕法熄焦會消耗大量的水資源，同時得到的產品品質不佳，還需要開發新型干熄焦技術；采用爐內空氣與煤氣燃燒加熱的方式進行低溫干餾，燃燒過程中產生的廢氣會混入煤氣中，從而降低煤氣的熱值，同時還會產生環境污染問題；在很多企業中的低溫干餾裝置單爐產能低，自動化程度低，對經濟效益和生產成本產生影響，焦油和粉塵分離難度高也是急需解決的問題。

2.1.3 低溫干餾技術解決問題的方向

針對低溫干餾技術存在的問題，可從如下幾個方面進行技術研發。采用低溫富氧干餾技術，在不改變現行低溫干餾爐結構的情況下，用富氧甚至全氧代替空氣，不僅提高路況的穩定性，還能夠有效提高煤氣熱值，這套技術對于現行的工藝和設備具有較好的適用性，還可為過程煤氣的綜合利用奠定良好的基礎；采用低溫干餾干熄焦技術，將冷煤氣作為冷卻的介質，與半焦換熱熄焦后再進入干餾段，這種方式是將熄焦與干餾相結合的重要手段，可有效提升干熄焦和熱量的利用效率，能夠達到節能節水的目的；對于粒度較小的低階煤而言，可以按照粒徑將其分成三個不同的等級，然后分級入爐，能夠解決綜采煤入爐干餾效率；除了以上技術的研發應用，還有其他技術正處于研發實驗階段，通過技術的改進，能夠有效提升低階煤低溫干餾的效率，最終實現低階煤的高效清潔利用。

2.2 低階粉煤熱解技術

隨著我國煤炭綜采率的不斷提高，粉煤率已經達到了70%以上，而在很多熱解技術中，對于粉煤的利用效率還比較低。無論是原料的適應性和產品結構，還是產品的附加值，都無法達到高效清潔分質利用的目的，所以粉煤熱解技術是現階段急需解決的問題，很多單位都開展了不同規模、多種爐型的試驗，并且不同程度地獲得了進展，下面對粉煤熱解技術進行簡要分析。

2.2.1 粉煤熱解-氣化一體化技術

這項技術主要是將煤的熱解和半焦的氣化在一個反應器內進行，煤粉在熱解區發生熱解會生成油氣、半焦，半焦再返回到氣化區氣化產生合成氣。因為在反應器中會形成獨特的流化狀態，并且溫度會呈現梯級分布，所以會加快熱解反應產物的擴散速率，能夠減少焦油進行二次反應的機會，從而提升焦油的收率。

2.2.2 氣化-低階煤熱解一體化技術

該項技術主要以25mm以下粒度的低階煤為原料，在低溫分級熱解和粉焦常壓氣化有機耦合，在中低溫條件下提取煤中的有機揮發組分，以此來制備煤焦油、半焦、熱解煤氣。這種熱解技術獲取焦油收率較高，熱解氣的品質較好，熱解半焦品質優，生產過程中產生的廢水較少，能源利用率高，可有效實現低階煤高效清潔分級利用的目的。

2.2.3 其他熱解技術

除了上述分析的熱解技術，其他企業也根據自身的生產特點和技術實力，研發出了適宜本企業的新型熱解技術。比如利用旋轉床進行的低溫熱解技術，蓄熱式無熱載體旋轉床熱解技術、低階粉煤氣固熱載體雙循環快速熱解技術、內構件移動床煤熱解技術等。其中大多數都是針對粉煤特性而研發的熱解技術，主要是解決綜采中粒度較小的低階煤而進行的技術改良，既能夠提高對低階煤的分質利用效率，又能夠達到節能環保的目的。

3 結束語

能源緊缺是我國經濟發展中面臨的主要問題，提高低階煤的利用效率是緩解能源緊缺的途徑之一。低階煤的性質影響了利用的價值，所以通過相應的技術對低階煤進行分級，然后再分質利用，是實現低階煤高效清潔利用的重要手段。熱解是低階煤實現分質利用的核心技術，熱解主要是指煤在隔絕空氣的系統中進行加熱，在不同的溫度下會發生相應的物理變化和化學變化，最終通過熱解技術將低階煤轉化為煤焦油、熱解煤氣和半焦不同狀態的物質，然后再采用相應的技術對每種物質進行深加工。實現對低階煤的高效清潔分質利用，涉及多條產業鏈，所以需要技術、資金、工藝、政策等多方面的共同配合。同時隨著低階煤分質利用工藝和技術的改進優化，對低階煤的利用效率會進一步提升，這也會是我國能源改革中的重要戰略規劃。